Работа и мощность электрического тока

Содержание

Что такое мощность в электричестве

Механическая мощность как физическая величина равна отношению выполненной работы к некоторому промежутку времени. Поскольку понятие работы определяется количеством затраченной энергии, то и мощность допустимо представить как скорость преобразования энергий. Разобрав составляющие механической мощности, рассмотрим из чего складывается электрическая. Напряжение — выполняемая работа по перемещению одного кулона электрического заряда, а ток — количество проходящих кулонов за одну секунду. Произведение напряжения на ток показывает полный объем работы, выполненной за одну секунду.

Мощность электрического тока – количественная мера тока, характеризующая его энергетические свойства. Определяется основными параметрами – силой тока и напряжением. Измеряется мощность электрического тока прибором, который называется Ваттметр. Единица измерения — Ватт (Вт).

Проанализировав полученную формулу, можно заключить, что силовой показатель зависит одинаково от тока и напряжения. То есть, одно и тоже значение возможно получить при низком напряжении и большом тока, или при высоком напряжении и низком токе. Пользуясь зависимостью мощности от напряжения и силы тока, инженеры научились передавать электричество на большие расстояния путем преобразования энергии на понижающих и повышающих трансформаторных подстанциях.

Наука подразделяет электрическую мощность на:

  • активную. Подразумевает преобразование мощности в тепловую, механическую и другие виды энергии. Показатель выражают в Ваттах и вычисляют по формуле U*I;
  • реактивную. Эта величина характеризует электрические нагрузки, создаваемые в устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Показатель выражается как вольт-ампер реактивный и представляет собой произведение напряжения на силу тука и угол сдвига.

Для простоты понимания смысла активной и реактивной мощности, обратимся к нагревательному оборудованию, где электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Как измерить мощность

Знать силовые характеристики бытового оборудования необходимо всегда. Это требуется для расчета сечения проводки, учета расхода электроэнергии или электрификации дома. До начала монтажных работ такую информацию можно получить только путем сложения показателей мощности каждого отдельного устройства, добавив 10% запаса.

Будет интересно Что такое электродвижущая сила (ЭДС) и как ее рассчитать

Определить потребляемую нагрузку дома поможет счетчик. Прибор показывает сколько киловатт было потрачено за один час работы оборудования. И для того чтобы убедиться в правильности показаний, владелец квартиры может проверить точность устройства с помощью электронных средств измерения. Сюда относится амперметр, вольтметр или мультиметр.

Также существуют ваттметры и варметры, которые показывают результаты измерений в ваттах. Во время снятия показания включенной оставить только активную нагрузку как лампочки и нагреватели. Далее померить токовое напряжение. В конце сверить показания счетчика с полученным результатом вычислений.

Резистор в цепи переменного тока

Простейшая цепь переменного тока получится, если к источнику переменного напряжения подключить обычный резистор (мы полагаем, разумеется, что индуктивность этого резистора пренебрежимо мала, так что эффект самоиндукции можно не принимать во внимание) , называемый также активным сопротивлением

(рис. 1)

Рис. 1. Резистор в цепи переменного тока

Положительное направление обхода цепи выбираем против часовой стрелки, как показано на рисунке. Напомним, что сила тока считается положительной, если ток течёт в положительном направлении; в противном случае сила тока отрицательна.

Оказывается, мгновенные значения силы тока и напряжения связаны формулой, аналогичной закону Ома для постоянного тока:

Таким образом, сила тока в резисторе также меняется по закону синуса:

Амплитуда тока равна отношению амплитуды напряжения к сопротивлению :

Мы видим, что сила тока через резистор и напряжение на нём меняются «синхронно», точнее говоря — синфазно (рис. 2).

Рис. 2. Ток через резистор совпадает по фазе с напряжением

Фаза тока равна фазе напряжения, то есть сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю.

Задачи

Определить материал проводника, если на нем выделяется мощность 210 Вт. Напряжение – 16 В. Длина проводника – 10 м, площадь сечения – 1 мм2.

Решение:

Запишем выражение для мощности:

$P = \frac {U^2}{R}$

И для сопротивления:

$R = \frac {\rho \cdot l}{S}$

Теперь выразим из этих двух формул удельное сопротивление проводника:

$\rho = \frac {U^2 \cdot S}{P \cdot l} = \frac {256 \cdot 1}{210 \cdot 10} = 0,12 \: \frac {Ом \cdot мм^2}{м}$

Сравнив это значения с табличными значениями удельного сопротивления, узнаем, что проводник изготовлен из олова.

Что мы узнали?

В ходе урока рассмотрели вопросы о мощности электрического тока – одной из ключевых тем электротехники, узнали о разных видах мощности в сетях переменного тока. С целью закрепления пройденного материала решили задачу.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Под мощностью электрического тока понимают:

    • Величину оказываемой нагрузки на электрическую цепь
    • Напряжение в цепи, отнесенное ко времени действия
    • Первую производную силы тока
    • Вторую производную работы тока

Начать тест(новая вкладка)

«Постоянный электрический ток. Действие электрического тока»

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.  Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимы два условия: 1) наличие свободных заряженных частиц, 2) электрическое поле, которое создаёт их направленное движение. Проходя по цепи, происходит действие электрического тока (тепловое, магнитное, химическое).

При существовании тока в разных средах: в металлах, жидкостях, газах — электрический заряд переносится разными частицами. В металлах этими частицами являются электроны, в жидкостях заряд переносится ионами, в газах — электронами, положительными и отрицательными ионами.

Дистиллированная вода не проводит электрический ток, поскольку она не содержит свободных зарядов. Если в воду добавить поваренную соль или медный купорос, то в ней появятся свободные заряды, и она станет проводником электрического тока.

Газы в обычных условиях тоже не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Однако если в воздушный промежуток между двумя металлическими пластинами, соединёнными с источником тока, внести зажжённую спичку или спиртовку, то газ станет проводником и гальванометр зафиксирует протекание тока по цепи.

Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток — это электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока (англ. direct current), т.е. тока, не изменяющий своего направления. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв англ. слов, или символом по ГОСТ 2.721-74.

На рисунке красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени t, а по вертикальной — масштаб тока I или электрического напряжения U. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов). Постоянный электрический ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Источник тока

Направленное движение зарядов обеспечивается электрическим полем. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, под действием которого заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно.

В источнике тока совершается работа при разделении заряженных частиц. При этом различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия, в гальваническом элементе — химическая.

Действие электрического тока

Электрический ток, проходя по цепи, производит различные действия. Тепловое действие электрического тока заключается в том, что при его прохождении по проводнику в нём выделяется некоторое количество теплоты. Пример применения теплового действия тока — электронагревательные элементы чайников, электроплит, утюгов и пр. В ряде случаев температура проводника нагревается настолько сильно, что можно наблюдать его свечение. Это происходит в электрических лампочках накаливания.

Магнитное действие электрического тока проявляется в том, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое, действуя на магнитную стрелку, расположенную рядом с проводником, заставляет её поворачиваться. Благодаря магнитному действию тока можно превратить железный гвоздь в электромагнит, намотав на него провод, соединённый с источником тока. При пропускании по проводу электрического тока гвоздь будет притягивать железные предметы.

Химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении в жидкости на электроде выделяется вещество. Если в стакан с раствором медного купороса поместить угольные электроды и присоединить их к источнику тока, то, вынув через некоторое время эти электроды из раствора, можно обнаружить на электроде, присоединённом к отрицательному полюсу источника (на катоде), слой чистой меди.

Некоторые источники утверждают, что существует также механическое действие (например, рамка, по которой течет ток, поворачивается, если её поместить между полюсами магнитов) и световое (светодиоды).

Конспект по по физике в 8 классе: «Постоянный электрический ток. Действие электрического тока».

Следующая тема: «Сила тока. Напряжение»

Как вычислить сечение многожильного провода

Многожильный провод, чем он отличается от одножильного? В принципе ничем, несколько одножильных проводов свитые вместе, а поэтому вычислить сечение одножильного провода и помножив на количество проводов получим сечение многожильного провода.
Рассмотрим на примере:
Имеется в распоряжении многожильный провод, сплетенный из 12 жил, диаметр одножильного провода 0,4 мм. Рассчитываем сечение жилы: 0,4мм х 0,4мм х 0,785 = 0,1256, округляем и получаем 0,126 мм 2. Сечение многожильного провода 0,126 мм 2 х 12 = 1,5 мм 2.
Заходим в таблицу и определяем, что такой провод способен выдержит ток 8 Ампер.

При желании можно определить сечение многожильного провода, замерив общий диаметр кабеля, так как между проводниками имеется пространство, то с помощью коэффициента 0,91 мы приблизительно рассчитаем общее сечение, что нам будет достаточно этой точности.
К примеру, замерив диаметр многожильного провода, мы получили 5 мм, рассчитываем:
5,0 мм х 5,0 мм х 0,785 = 19,625 мм 2, далее 19,625 мм 2 умножаем на 0,91 получаем 17,85 2. По таблице видим, что ток на который рассчитан провод более 63 А.

Онлайн калькулятор для определения сечения многожильного провода
  Введите диаметр одной жилы, мм:  
Количество жил в проводе:
 

Вот еще один простой калькулятор расчета.
Для вычисления потребляемого тока применяем известную формулу, для этого делим мощность прибора (Вт) на напряжение (вольт) , после деления результат получается в амперах.
Чайник потребляет 1200 Вт от сети 220 вольт, вычисляем 1200 дели на 220 получаем ток 5,45 А.

   Онлайн калькулятор для определения величины тока по потребляемой мощности   
  Потребляемая мощность, Вт:  
  Напряжение питания, В:  
  

Для вычисления необходимо вписать оба значения, иначе программа не поймет и выдаст соответствующее сообщение.

Расчет сопротивления для подключения светодиодов

Иногда требуется включить светодиодный индикатор в схему, но напряжение на данном участке больше требуемого. Напомним, что для загорание обычного светодиода требуется напряжение источника постоянного тока величиной 1,5 – 2 вольта и ток потребляемый им составляет 10 – 20 ма (для загорания и меньше в пределах 5 ма), напряжение и потребляемый ток зависят от разных характеристик, в том числе и от цвета излучаемым светодиодом и от его отличительных характеристики – имеется класс ярких светодиодов с малым потреблением тока.

Расчет производится по формуле:

ΔU=Uгасящее=Uпитания–Uсветодиода, т.е. ΔU разница напряжения между источником питания и значением величины рабочего напряжения данного светодиода. Необходимо представлять себе, что если вы хотите включить индикацию напряжения, к примеру 220 вольт, то потребуется погасить на резисторе 218 вольт, т.е. 220-2=218, для этого потребуется резистором номиналом 15 кОм и мощностью рассеивания 3,5 Вт, в данном случае лучше составить из трех резисторов по 5,1 кОм, или четырех резисторов по 3,9 кОм (Ряд E24).
Где U в вольтах, I в амперах, R в омах.

По какой формуле вычисляется мощность электрического тока

Она выглядит как P = A / t = I x U, обозначения следующие:

  • P – мощность тока в ваттах (Вт);
  • A – его работа на данном участке цепи в джоулях (Дж);
  • t – время, за которое совершена работа (в секундах);
  • U – напряжение электричества для участка цепи в вольтах (В);
  • I – сила в амперах (А).

Верное определение мощности критически важно для соблюдения правил техники безопасности при эксплуатации электросети и исключения возгораний. Это может произойти, если проводка выбрана неправильно

Для измерения необходимо использовать специальные приборы, но это возможно не всегда.

Определение мощности для переменного тока:

  • с помощью амперметра;
  • по формуле P= U х I с использованием значений в указанный момент времени;
  • по формуле P= U х I x сos φ, если есть сдвиг фаз.

Символ φ обозначает коэффициент мощности. Когда к сети подключен только свет или приборы для нагревания, он равен 1, для более сложного и мощного оборудования промышленного типа цифра составляет 0,8. Формула для расчета мощности через сопротивление в сети постоянного тока – P = IU.

Как узнать силу тока, зная мощность и напряжения

Чтобы ответить на вопрос, как определить ток, необходимо поделить электронапряжение на общее число ватт. При этом сделать все необходимые вычисления можно самостоятельно, а можно прибегнуть к специальному онлайн-калькулятору.

Расчет мощностного показателя по амперам и ваттам

Узнать потребление электроэнергии по токовой силе резистора можно умножением первой на сопротивление, выражаемое в Омах. В итоге, получится значение, представленное в вольтах, перемноженных на ом. Получится ампер.

Обратите внимание! Если нет сопротивления, нужно поделить ваттный показатель на токовую энергию, то есть следует поделить ватты на амперы и получится значение электроэнергии в вольтах. Понять мощностное показание через величину электричества с электронапряжением, можно умножив соответствующие показания с устройства

Расчет электроэнергии через электромощность и электронапряжение

Расчет потребляемой мощности

Электромощность является величиной, которая отвечает за факт скорости изменения или передачи электрической энергии. Есть полная и активная мощностная нагрузка, а также активная и реактивная. Полная вычисляется так: S = √ (P2 + Q2), где P является активной частью, а Q реактивной. Для нахождения потребляемого мощностного показателя необходимо знать число электротока, которое потребляется нагрузкой, а также питательное напряжение, которое выдается при помощи источника.

Что касается бытового определения потребляемой электрической энергии, необходимо вычислить общее количество ватт питания электрических приборов и паспортные данные номинальной силы электротока котла. Как правило, все электрические приборы работают с переменным током и напряжением в 220 вольт. Для вычисления тока проще всего воспользоваться амперметром. Зная первый и второй параметры, реально узнать величину потребляемой энергии.

Стоит указать, что измерить мощность через напряжение или сделать расчет мощности по сопротивлению и напряжению возможно не только формулой, но и прибором. Для этого можно воспользоваться мультиметром с токоизмерительными клещами или специализированным измерителем — ваттметром.

Обратите внимание! Оба работают по одному и тому же принципу, указанному в руководстве по их эксплуатации. Подсчет потребляемой мощности

Подсчет потребляемой мощности

Мощность, ток и напряжение — три составляющие расчета проводки в доме. Узнать все необходимые параметры в любой сети просто при помощи формул, представленных выше. От этих значений будет зависеть исправность работы всей домашней электрики и безопасность ее владельца.

https://youtube.com/watch?v=dwaSF3W4TxU

Коэффициент мощности cosφ определение, теория.

Коэффициент мощности cosφ — безмерная физическая величина, которая характеризует потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей . Коэффициент мощности показывает, насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Полная мощность прибора состоит из активной и реактивной составляющей (активной и реактивной мощности). Активная составляющая совершает полезную работу, то есть использует электрическую энергию и полностью преобразует в другой необходимый вид энергии. Существуют отдельные приборы, которые в основном работают на данной составляющей, это к примеру обогреватели, электропечи, электроплиты, утюги, лампочки накаливания и т.п. У данных приборов cosφ будет максимально близок к максимальному значению от 0,95 до 1.

Реактивная составляющая возникает в цепях в которых содержаться реактивные элементы, например конденсаторы, катушки индуктивности, электродвигатели различных видов. Т.е. к этой группе относятся практически все приборы в основе которых есть платы и микросхемы, а также электродвигатели. Например, электродрели, отрезные, шлифовальные машинки, штроборезы, бытовая электронная техника. У данных типов приборов cosφ будет находится в диапазоне от 0,5 до 1. Реактивная составляющая обычно считается вредной характеристикой цепи.

Активная и реактивная мощность.

Анализируя вышеизложенное можно прийти к выводу, что чем меньше реактивная составляющая в нагрузке тем ближе к единице значение cosφ. Чем выше значение cosφ, тем более эффективно работает потребитель электроэнергии.

Примерные значения cosφ для некоторых типов оборудования:

  • лампы накаливания — 1;
  • обогреватели, электропечи, электроплиты и т.п. — 0,95;
  • электродвигатели — 0,85 ..0,87;
  • дрели, отрезные машинки и т.п. — 0,85 ..0,9;
  • электродвигатели компрессоров, холодильников, стиральных машин и т.п. — 0,7…0,85
  • компьютеры, телевизоры, СВЧ печи, кондиционеры, вентиляторы, энергосберегающие лампы — 0,5 ..0,8

Более точные значения cosφ зачастую можно найти в паспорте прибора или на бирке.

Косинус фи для различных потребителей – таблица

Наименование электроприбора cos φ
Бойлер 1
Болгарка 0.8
Вакуумный насос 0.85
Индукционные печи 0.85
Компрессор 0.7
Компьютер 0.95
Кофеварка 1
Лампы газоразрядные 0.4-0.6
Лампы люминисцентные 0.95
Лампы накаливания 1
Обогреватель 1
Перфоратор 0.85
Пылесос 0.9
СВЧ-печь 1
Стиральная машина 0.9
Телевизор 1
Утюг 1
Фен 1
Холодильник 0.95
Электродрель 0.85
Электромоторы 0.7-0.8
Электроплита 1
Электросварка дуговая 0.3-0.6
Электрочайник 1

Подбираем номинал автоматического выключателя

Применив формулу I = P/209, получим, что при нагрузке с мощностью 1 кВт ток в однофазной сети будет 4,78 А. Напряжение в наших сетях не всегда равно в точности 220 В, поэтому не будет большой ошибкой силу тока считать с небольшим запасом как 5 А на каждый киловатт нагрузки. Сразу же видно, что в удлинитель, промаркированный «5 А», утюг мощностью 1,5 кВт включать не рекомендуется, так как ток будет в полтора раза превышать паспортную величину. А еще сразу можно «проградуировать» стандартные номиналы автоматов и определить, на какую нагрузку они рассчитаны:

  • 6 А – 1,2 кВт;
  • 8 А – 1,6 кВт;
  • 10 А – 2 кВт;
  • 16 А – 3,2 кВт;
  • 20 А – 4 кВт;
  • 25 А – 5 кВт;
  • 32 А – 6,4 кВт;
  • 40 А – 8 кВт;
  • 50 А – 10 кВт;
  • 63 А – 12,6 кВт;
  • 80 А – 16 кВт;
  • 100 А – 20 кВт.

С помощью методики «5 ампер на киловатт» можно оценить силу тока, возникающую в сети при подключении бытовых устройств. Интересуют пиковые нагрузки на сеть, поэтому для расчета следует использовать максимальную потребляемую мощность, а не среднюю. Эта информация содержится в документации на изделия. Вряд ли стоит самому рассчитывать этот показатель, суммируя паспортные мощности компрессоров, электродвигателей и нагревательных элементов, входящих в устройство, так как есть еще такой показатель, как коэффициент полезного действия, который придется оценивать умозрительно с риском сильно ошибиться.

При проектировании электропроводки в квартире или загородном доме не всегда доподлинно известны состав и паспортные данные электрооборудования, которое будет подключаться, но можно воспользоваться ориентировочными данными обычных для нашего быта электроприборов:

  • электросауна (12 кВт) – 60 А;
  • электроплита (10 кВт) – 50 А;
  • варочная панель (8 кВт) – 40 А;
  • электроводонагреватель проточный (6 кВт) – 30 А;
  • посудомоечная машина (2,5 кВт) – 12,5 А;
  • стиральная машина (2,5 кВт) – 12,5 А;
  • джакузи (2,5 кВт) – 12,5 А;
  • кондиционер (2,4 кВт) – 12 А;
  • СВЧ-печь (2,2 кВт) – 11 А;
  • электроводонагреватель накопительный (2 кВт) – 10 А;
  • электрочайник (1,8 кВт) – 9 А;
  • утюг (1,6 кВт) – 8 А;
  • солярий (1,5 кВт) – 7,5 А;
  • пылесос (1,4 кВт) – 7 А;
  • мясорубка (1,1 кВт) – 5,5 А;
  • тостер (1 кВт) – 5 А;
  • кофеварка (1 кВт) – 5 А;
  • фен (1 кВт) – 5 А;
  • настольный компьютер (0,5 кВт) – 2,5 А;
  • холодильник (0,4 кВт) – 2 А.

 
Расчет сечения кабеля по мощности: практические советы от профессионалов

Потребляемая мощность осветительных приборов и бытовой электроники невелика, в целом суммарную мощность осветительных приборов можно оценить в 1,5 кВт и автомата на 10 А на группу освещения достаточно. Бытовая электроника подключается к тем же розеткам, что и утюги, дополнительные мощности резервировать для нее нецелесообразно.

Если просуммировать все эти токи, цифра получается внушительная. На практике, возможности подключения нагрузки ограничивает величина выделенной электрической мощности, для квартир с электрической плитой в современных домах она составляет 10 -12 кВт и на квартирном вводе стоит автомат номиналом 50 А. И эти 12 кВт надо распределить, учитывая то, что самые мощные потребители сосредоточены на кухне и в ванной комнате. Проводка будет доставлять меньше поводов для беспокойства, если разбить ее на достаточное количество групп, каждая со своим автоматом. Для электроплиты (варочной панели) делается отдельный ввод с автоматом на 40 А и устанавливается силовая розетка с номинальным током 40 А, ничего больше туда подключать не надо. Для стиральной машины и другого оборудования ванной комнаты делается отдельная группа, с автоматом соответствующего номинала. Эту группу обычно защищают УЗО с номинальным током на 15% большим, чем номинал автоматического выключателя. Отдельные группы выделяют для освещения и для настенных розеток в каждой комнате.

На расчет мощностей и токов придется потратить некоторое время, но можно быть уверенным, что труды не пропадут даром. Грамотно спроектированная и качественно смонтированная электропроводка – залог комфорта и безопасности вашего жилища.

Как измеряют cosφ на практике

Значение коэффициента cosφ обычно указано на бирках электроприборов, однако, если необходимо измерить его на практике пользуются специализированным прибором – фазометром. Также с этой задачей легко справится цифровой ваттметр.

Если полученный коэффициент cosφ достаточно низок, то его можно компенсировать практически. Осуществляется это в основном путем включения в цепь дополнительных приборов.

  1. Если необходимо скорректировать реактивную составляющую, то следует включить в цепь реактивный элемент, действующий противоположно уже функционирующему прибору. Для компенсации работы асинхронного двигателя, для примера индуктивной нагрузки, в параллель включается конденсатор. Для компенсации синхронного двигателя подключается электромагнит.
  2. Если необходимо скорректировать проблемы нелинейности в схему вводят пассивный корректор коэффициента cosφ, к примеру, это может быть дроссель с высокой индуктивностью, подключаемый последовательно с нагрузкой.

Мощность – это один из важнейших показателей электроприборов, поэтому знать какой она бывает и как рассчитывается, полезно не только школьникам и людям, специализирующимся в области техники, но и каждому из нас.

Как перевести амперы в ватты и обратно?

Как перевести амперы в киловаты?

Как рассчитать падение напряжения по длине кабеля в электрических сетях

Что такое коэффициент трансформации трансформатора?

Способы вычисления потребления электроэнергии бытовыми приборами

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Мощность тока через резистор

Пусть переменный ток протекает через резистор сопротивлением . Напряжение на резисторе, как нам известно, колеблется в фазе с током:

Поэтому для мгновенной мощности получаем:

График зависимости мощности (2) от времени представлен на рис. 1 . Мы видим, что мощность всё время неотрицательна — резистор забирает энергию из цепи, но не возвращает её обратно в цепь.

Рис. 1. Мощность переменного тока через резистор

Максимальное значение нашей мощности связано с амплитудами тока и напряжения привычными формулами:

На практике, однако, интерес представляет не максимальная, а средняя

мощность тока. Это и понятно. Возьмите, например, обычную лампочку, которая горит у вас дома. По ней течёт ток частотой Гц, т. е. за секунду совершается колебаний силы тока и напряжения. Ясно, что за достаточно продолжительное время на лампочке выделяется некоторая средняя мощность, значение которой находится где-то между и . Где же именно?

Посмотрите ещё раз внимательно на рис. 1 . Не возникает ли у вас интуитивное ощущение, что средняя мощность соответствует «середине» нашей синусоиды и принимает поэтому значение ?

Это ощущение совершенно верное! Так оно и есть. Разумеется, можно дать математически строгое определение среднего значения функции (в виде некоторого интеграла) и подтвердить нашу догадку прямым вычислением, но нам это не нужно

Достаточно интуитивного понимания простого и важного факта:

среднее значение квадрата синуса (или косинуса) за период равно

Этот факт иллюстрируется рисунком 2 .

Рис. 2. Среднее значение квадрата синуса равно

Итак, для среднего значения мощности тока на резисторе имеем:

В связи с этими формулами вводятся так называемые действующие

(илиэффективные ) значения напряжения и силы тока (на самом деле это есть не что иное, каксредние квадратические значения напряжения и тока. Такое у нас уже встречалось: средняя квадратическая скорость молекул идеального газа (листок «Уравнение состояния идеального газа»):

Формулы (3) , записанные через действующие значения, полностью аналогичны соответствующим формулам для постоянного тока:

Поэтому если вы возьмёте лампочку, подключите её сначала к источнику постоянного напряжения , а затем к источнику переменного напряжения с таким же действующим значением , то в обоих случаях лампочка будет гореть одинаково ярко.

Действующие значения (4) чрезвычайно важны для практики. Оказывается, вольтметры и амперметры переменного тока показывают именно действующие значения

(так уж они устроены). Знайте также, что пресловутые вольт из розетки — этодействующее значение напряжения бытовой электросети.

Мощность при токах: постоянном и переменном

Когда возникает необходимость рассчитывать, сколько будет потреблять установленное оборудование, нужно помнить, что существует разница между значением P при подаче постоянного и переменного напряжений.

Формула P при постоянном токе показывает P в виде произведения мгновенных значений I и U. При этом момент времени может быть абсолютно любой.

Выражение P в условиях синусоидального движения электронов учитывает угол, на который сдвинуты фазы тока и напряжения. Косинус этого угла умножается на произведение тока и напряжения за период времени Т. Это период времени, за который ток меняет своё значение с положительного на отрицательное:

Магнитные величины

Магнетизм теснейшим образом связан с электричеством, поскольку и то, и другое представляют собой проявления единого фундаментального физического процесса – электромагнетизма. Поэтому столь же тесная связь свойственна методам и средствам измерения электрических и магнитных величин. Но есть и нюансы. Как правило, при определении последних практически проводится электрическое измерение. Магнитную величину получают косвенным путем из функционального соотношения, связывающего ее с электрической.

Эталонными величинами в данной области измерений служат магнитная индукция, напряженность поля и магнитный поток. Они могут быть преобразованы с помощью измерительной катушки прибора в ЭДС, которая и измеряется, после чего производится вычисление искомых величин.

  • Магнитный поток измеряют посредством таких приборов, как веберметры (фотогальванические, магнитоэлектрические, аналоговые электронные и цифровые) и высокочувствительные баллистические гальванометры.
  • Индукция и напряженность магнитного поля измеряются при помощи тесламетров, оснащенных преобразователями различного типа.

Измерение электрических и магнитных величин, состоящих в непосредственной взаимосвязи, позволяет решать многие научные и технические задачи, например, исследование атомного ядра и магнитного поля Солнца, Земли и планет, изучение магнитных свойств различных материалов, контроль качества и прочие.

Объемная плотность электрической энергии

Рассмотренные выше зависимости и формулы можно преобразовать, чтобы уточнить влияние связанных параметров на энергетический потенциал определенной конструкции:

  • W = ½ (C * U2) = d *q2/(2*e0*S) = ((e0 * E2)/2) * S*d;
  • однако произведение S*d равно объему (V);
  • таким образом, исходное выражение для расчета приобретает вид:

Советуем изучить Стабилизатор напряжения на транзисторе

W = ((e0 * E2)/2) * V.

По итоговому варианту становится понятным, сколько энергии электрического поля сосредоточено внутри определенного объема. Исходя из того можно сделать вывод о наличии соответствующих свойств самого поля. Теоретические знания подтверждены расчетами. Для оценки эффективности конкретных изделий применяют удельный показатель (объемную плотность) w = W/V = (e0 * E2)/2. При заполнении диэлектриком формулы дополняют соответствующими данными электрической проницаемости (e).

Вектора магнитной индукции (В) и напряженности (Е) формируют электромагнитное поле. Для расчета силы, перемещающей соленоид, надо учитывать силовые компоненты в совокупности. Соответствующие коррекции делают при создании колебательного контура. Максимальный энергетический потенциал можно получить с помощью увеличения диэлектрической проницаемости слоя между обкладками конденсатора.

Мощность в спорте

Оценивать работу с помощью мощности можно не только для машин, но и для людей и животных. Например, мощность, с которой баскетболистка бросает мяч, вычисляется с помощью измерения силы, которую она прикладывает к мячу, расстояния которое пролетел мяч, и времени, в течение которого эта сила была применена. Существуют сайты, позволяющие вычислить работу и мощность во время физических упражнений. Пользователь выбирает вид упражнений, вводит рост, вес, длительность упражнений, после чего программа рассчитывает мощность. Например, согласно одному из таких калькуляторов, мощность человека ростом 170 сантиметров и весом в 70 килограмм, который сделал 50 отжиманий за 10 минут, равна 39.5 ватта. Спортсмены иногда используют устройства для определения мощности, с которой работают мышцы во время физической нагрузки. Такая информация помогает определить, насколько эффективна выбранная ими программа упражнений.

Динамометры

Для измерения мощности используют специальные устройства — динамометры. Ими также можно измерять вращающий момент и силу. Динамометры используют в разных отраслях промышленности, от техники до медицины. К примеру, с их помощью можно определить мощность автомобильного двигателя. Для измерения мощности автомобилей используется несколько основных видов динамометров. Для того, чтобы определить мощность двигателя с помощью одних динамометров, необходимо извлечь двигатель из машины и присоединить его к динамометру. В других динамометрах усилие для измерения передается непосредственно с колеса автомобиля. В этом случае двигатель автомобиля через трансмиссию приводит в движение колеса, которые, в свою очередь, вращают валики динамометра, измеряющего мощность двигателя при различных дорожных условиях.

Этот динамометр измеряет крутящий момент, а также мощность силового агрегата автомобиля

Динамометры также используют в спорте и в медицине. Самый распространенный вид динамометров для этих целей — изокинетический. Обычно это спортивный тренажер с датчиками, подключенный к компьютеру. Эти датчики измеряют силу и мощность всего тела или отдельных групп мышц. Динамометр можно запрограммировать выдавать сигналы и предупреждения если мощность превысила определенное значение

Это особенно важно людям с травмами во время реабилитационного периода, когда необходимо не перегружать организм

Согласно некоторым положениям теории спорта, наибольшее спортивное развитие происходит при определенной нагрузке, индивидуальной для каждого спортсмена. Если нагрузка недостаточно тяжелая, спортсмен привыкает к ней и не развивает свои способности. Если, наоборот, она слишком тяжелая, то результаты ухудшаются из-за перегрузки организма. Физическая нагрузка во время некоторых упражнений, таких как велосипедный спорт или плавание, зависит от многих факторов окружающей среды, таких как состояние дороги или ветер. Такую нагрузку трудно измерить, однако можно выяснить с какой мощностью организм противодействует этой нагрузке, после чего изменять схему упражнений, в зависимости от желаемой нагрузки.

Автор статьи: Kateryna Yuri